專(zhuān)利名稱：用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器，特別是涉及一種利用量子點(diǎn)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和具有垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)制備的可在室溫下工作的具有高集成度的單電子存儲(chǔ)器及制備方法。
背景技術(shù)：
在過(guò)去的幾十年里，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，根據(jù)所謂的摩爾定律，表征存儲(chǔ)技術(shù)的芯片集成度每三年翻兩番。但隨著芯片集成的器件越來(lái)越多，器件的尺度正逐漸接近其物理極限。因此，尋找尺寸小、成本低、速度快、穩(wěn)定性好的存儲(chǔ)器件，并實(shí)現(xiàn)器件的高度集成化，已經(jīng)成為了半導(dǎo)體工業(yè)所面臨的關(guān)鍵性問(wèn)題。
目前，人們已經(jīng)開(kāi)始對(duì)納米量級(jí)的存儲(chǔ)器件進(jìn)行研究，希望能夠找到解決問(wèn)題的辦法。在過(guò)去的幾年里，研究工作主要集中在單電子器件上，一些基于單電子現(xiàn)象的器件已經(jīng)被制備出來(lái)，并且在一定條件下顯示出穩(wěn)定的工作狀態(tài)。這些單電子存儲(chǔ)器件按結(jié)構(gòu)的不同可以分為以下三類(lèi)(1)量子點(diǎn)作為器件的浮柵，利用閾值電壓的漂移來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)(Jpn.J.Appl.Phys.2000，Part2，39，L792)；(2)兩個(gè)單電子晶體管(SET)之間的集成，一個(gè)SET用來(lái)控制量子點(diǎn)中的電荷數(shù)，另一個(gè)起靜電計(jì)的作用，用來(lái)探測(cè)存儲(chǔ)結(jié)中存儲(chǔ)的額外電子數(shù)，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能(Appl.Phys.Lett.1998，73，2134)；(3)單電子晶體管和傳統(tǒng)MOSFET的集成，依靠MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出(Appl.Phys.Lett.，1999，74，1293)。這些器件盡管解決了一些單電子存儲(chǔ)器遇到的困難，但是還存在一些困難。第一類(lèi)器件因?yàn)榱孔狱c(diǎn)的尺寸可以在10納米以下，因此可以在常溫下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但是器件存儲(chǔ)性質(zhì)受量子點(diǎn)位置和其尺寸漲落的影響，并且保存時(shí)間很短，通常只有幾百秒。第二類(lèi)存儲(chǔ)器中的一個(gè)單電子晶體管用作靜電計(jì)，工作時(shí)源漏偏壓很大，其漏極電流的大小對(duì)存儲(chǔ)結(jié)中存儲(chǔ)的額外電子數(shù)目呈現(xiàn)線性關(guān)系，但是此時(shí)器件工作的增益很小，不利于器件數(shù)據(jù)的讀??；此外這種存儲(chǔ)器的工作溫度很低。利用單電子晶體管和傳統(tǒng)的MOSFET可以解決數(shù)據(jù)讀出增益小的問(wèn)題，但是器件工作需要的電子數(shù)目增多了，至少需要上百個(gè)，事實(shí)上因?yàn)镸OSFET的存在使得困擾傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的問(wèn)題依然沒(méi)有得到根本上的解決，也就是說(shuō)器件的集成度要受MOSFET的制約，此外器件仍很難實(shí)現(xiàn)常溫下的工作。由此可見(jiàn)，必須要找到具有更高集成度、更高工作頻率和更高工作溫度的單電子存儲(chǔ)器及制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)存儲(chǔ)器和單電子存儲(chǔ)器發(fā)展所面臨的困難；為了提高存儲(chǔ)器的工作溫度；為了提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度和工作頻率，最終實(shí)現(xiàn)信息的超高密度存儲(chǔ)；從而提供一種利用碳納米管中量子點(diǎn)的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，和具有垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高集成度的單電子存儲(chǔ)器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所提供的用垂直結(jié)構(gòu)碳納米管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，包括以硅作為襯底，其上氧化形成一個(gè)二氧化硅絕緣層；在絕緣層上制備出一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管，它包括在二氧化硅絕緣層上設(shè)置一根單壁半導(dǎo)體性碳納米管，在其兩端制備出源極和漏極，并與該碳納米管發(fā)生歐姆接觸；在該碳納米管、源極和漏極的上方的整個(gè)二氧化硅絕緣層上制備出一層?xùn)艠O絕緣層，并在位于該碳納米管的上方、源極和漏極之間的柵極絕緣層上設(shè)置碳納米管晶體管的方形柵極；方形柵極相對(duì)應(yīng)的一側(cè)的柵極絕緣層上設(shè)置一存儲(chǔ)器的金屬字線，金屬字線和方形柵極通過(guò)第二根碳納米管歐姆接觸連接在一起，其第二根碳納米管設(shè)置方向與第一根碳納米管方向垂直，并在第二根碳納米管上存在至少兩個(gè)隧穿結(jié)。
所述的襯底材料包括p型或n型硅。
所述的襯底上的二氧化硅層厚度為1納米到100微米；所述的碳納米管晶體管中的碳納米管為單壁半導(dǎo)體性碳納米管，其直徑為小于3納米。
所述的柵極絕緣層的材料包括二氧化硅、Si3N4等，因?yàn)樵摉艠O絕緣層只是起到隔離作用即可。
所述的碳納米管晶體管的源極和漏極由Al、Au、Pt或Ti等金屬來(lái)制備，厚度沒(méi)有嚴(yán)格的要求，只起到電極的作用即可；其中源極和漏極之間的距離為1納米到1毫米。
所述的碳納米管晶體管的柵極材料為金屬包括Al、Au、Pt或Ti等金屬，或摻雜后的硅，其厚度為1納米到1微米；所述的柵極的面積小于1平方毫米。
所述的金屬字線和柵極之間的碳納米管為金屬性碳納米管，其直徑?jīng)]有限止。
所述的金屬字線包括Al、Au、Pt或Ti等金屬制備的，其厚度與柵極相同；其中金屬字線和柵極之間的距離為1納米到1毫米。
所述的碳納米管上的隧穿結(jié)是通過(guò)掃描探針技術(shù)使碳納米管發(fā)生局部形變形成的；碳納米管上相鄰的兩個(gè)隧穿結(jié)間距小于100納米；本發(fā)明的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器的制備方法，包括如下步驟(1)以硅片作為襯底，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝對(duì)硅片進(jìn)行摻雜，形成p型或n型的硅襯底；利用常規(guī)干氧或濕氧的方法在其上制備出一層二氧化硅絕緣層，其厚度為1納米-100微米；(2)在二氧化硅絕緣層上利用原子力顯微鏡定位一根單壁半導(dǎo)體性碳納米管，并常規(guī)利用光刻和剝離技術(shù)在碳納米管的兩端制備出碳納米管晶體管的源極和漏極；(3)然后再在半導(dǎo)體性碳納米管、源極和漏極的上方制備出一個(gè)柵極絕緣層，其厚度小于500納米；并在其上利用電子束光刻和剝離技術(shù)在這根碳納米管的上方，制備出厚度為1納米-100微米碳納米管晶體管的柵極，和以及在柵極相對(duì)應(yīng)的另一側(cè)邊制備一金屬字線；(4)在金屬字線和柵極之間定位一根金屬性碳納米管，并利用掃描探針技術(shù)在金屬性碳納米管上，使碳納米管發(fā)生局部形變形成隧穿結(jié)，在該碳納米管上不少于兩個(gè)隧穿結(jié)，相鄰兩個(gè)隧穿結(jié)的間距小于100納米；最后對(duì)器件進(jìn)行封裝就完成了本發(fā)明存儲(chǔ)器的制備。
所述的在金屬性碳納米管上制備隧穿結(jié)的方法，是利用探針使金屬性碳納米管局部發(fā)生形變，形變處的碳納米管性質(zhì)發(fā)生改變，這樣就形成一個(gè)隧穿結(jié)。
本發(fā)明的具有高集成度的單電子存儲(chǔ)器有兩根碳納米管，其中一根金屬性碳納米管具有一個(gè)或多個(gè)納米尺度的量子點(diǎn)，利用量子點(diǎn)的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；而另一根半導(dǎo)體性碳納米管則構(gòu)成了碳納米管晶體管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的存儲(chǔ)器正常工作有兩個(gè)基本條件(1)金屬性碳納米管上兩隧穿結(jié)間的量子點(diǎn)足夠小以至于可以出現(xiàn)庫(kù)侖阻塞區(qū)域，并且這個(gè)庫(kù)侖阻塞區(qū)域要足夠大；(2)碳納米管晶體管的柵極作為存儲(chǔ)器額外電子的存儲(chǔ)部分可以擁有兩個(gè)穩(wěn)定的存儲(chǔ)狀態(tài)，這兩個(gè)穩(wěn)定存儲(chǔ)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的碳納米管晶體管漏極電流的差異要足夠大，以保證存儲(chǔ)器可以準(zhǔn)確地讀出系統(tǒng)存入的數(shù)據(jù)和信息。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的存儲(chǔ)器正是利用碳納米管晶體管取代傳統(tǒng)的MOSFET來(lái)獲得更高的集成度。器件使用金屬性碳納米管上兩隧穿結(jié)間的量子點(diǎn)取代傳統(tǒng)的多隧穿結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，省去了大面積的耗盡柵，可以充分利用碳納米管的獨(dú)特電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，因此設(shè)計(jì)出的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)比以前基于MTJ/MOSFET設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器具有更高的存儲(chǔ)密度，并且可以在室溫下正常工作，所以這種存儲(chǔ)器不但解決了傳統(tǒng)存儲(chǔ)器面臨的困難，還提高了單電子存儲(chǔ)器件的性能；同時(shí)，碳納米管的化學(xué)惰性和良好的韌性決定了器件具有很長(zhǎng)的使用壽命，這些優(yōu)點(diǎn)使得本發(fā)明可以很好解決存儲(chǔ)器發(fā)展過(guò)程中所面臨的困境，與其它類(lèi)型的存儲(chǔ)器相比，具有多方面的優(yōu)勢(shì)?？傊景l(fā)明的單電子存儲(chǔ)器較傳統(tǒng)存儲(chǔ)器具有以下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2)易于集成；3)工作頻率高；4)存儲(chǔ)密度大；5)功耗低；6)散熱量??；7)工作溫度為室溫；8)制備方法簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明存儲(chǔ)器件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明存儲(chǔ)器件的側(cè)剖圖。
圖3本發(fā)明存儲(chǔ)器件中金屬性碳納米管發(fā)生形變形成隧穿結(jié)的示意圖。
圖4本發(fā)明存儲(chǔ)器輸入不同方向的三角形脈沖電壓對(duì)碳納米管柵極電位的影響，其中VW為字線電壓，VM為碳納米管晶體管的柵極電壓。
圖5本發(fā)明存儲(chǔ)器輸入不同方向的方波脈沖電壓對(duì)碳納米管柵極電位的影響，其中VW為字線電壓，VM為碳納米管晶體管的柵極電壓。
圖中標(biāo)示1.襯底2.二氧化硅絕緣層 3.源極4.漏極5.半導(dǎo)體性碳納米管6.柵極絕緣層 7.柵極8.金屬字線9.金屬性碳納米管 10.隧穿結(jié)11.量子點(diǎn)具體實(shí)施方式
實(shí)施例1按圖1的結(jié)構(gòu)制作，并結(jié)合制作方法對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明選用(100)方向的p型單晶硅作為襯底1，電阻率為0.005-0.01Ωcm。利用常規(guī)干氧氧化方法，氧化溫度為900℃，在襯底1上氧化出一個(gè)120納米厚的二氧化硅絕緣層2。利用原子力顯微鏡將一根長(zhǎng)為400納米、直徑為2納米的單壁半導(dǎo)體性碳納米管5定位在二氧化硅絕緣層2上，并與襯底的一邊平行設(shè)置。采用常規(guī)制膜工藝，制備一厚度為100納米厚的金屬Ti/Au層，再利用電子束光刻和剝離技術(shù)，在半導(dǎo)體性碳納米管5的兩端制備出碳納米管晶體管的Ti/Au金屬源極3和漏極4，源漏兩極相距300納米；其中源漏極的長(zhǎng)為50微米，寬為50微米，高為70納米。然后，采用常規(guī)工藝，沉積出一層15納米厚的SiO2作為柵極絕緣層6，如圖2所示。在半導(dǎo)體性碳納米管5對(duì)應(yīng)的柵極絕緣層6的上方，再使用的材料是Au制備Au金屬層，利用電子束光刻和剝離技術(shù)制備出碳納米管晶體管的金屬Au柵極7，和在柵極7相對(duì)應(yīng)的另一邊制備金屬Au字線8；其中柵極7長(zhǎng)為50納米，金屬字線長(zhǎng)為500微米，金屬字線8和柵極7間距為500納米，如圖1所示，其中柵極與字線厚度相同。
利用原子力顯微鏡在金屬字線8和柵極7之間定為一根金屬性碳納米管9，長(zhǎng)為600納米，直徑為2納米；利用掃描探針技術(shù)使碳納米管9上發(fā)生兩次形變，每處形變形成了一個(gè)隧穿結(jié)，兩個(gè)隧穿結(jié)10的間距為25納米，這樣就形成了量子點(diǎn)11，如圖3所示。最后對(duì)器件封裝就完成了本實(shí)用新型存儲(chǔ)器的制備。
實(shí)施例2選用(100)方向的n型單晶硅作為襯底1，電阻率為0.005-0.01Ωcm。在襯底1上利用常規(guī)干氧氧化方法，制備一10微米厚的二氧化硅絕緣層2，其上沿X方向設(shè)置一根長(zhǎng)為400納米、直徑為3納米的單壁半導(dǎo)體性碳納米管5；用金屬Ti/Au制備在半導(dǎo)體性碳納米管兩端的碳納米管晶體管的源極3和漏極4，源漏極相距300納米；其中源漏極的長(zhǎng)為50微米，寬為50微米，高為700納米；在該碳納米管5上有一層二氧化硅的柵極絕緣層6，其厚度為40納米。在半導(dǎo)體性碳納米管5對(duì)應(yīng)的柵極絕緣層的上方，設(shè)置該碳納米管晶體管的Ti金屬柵極7和字線8，其中柵極7長(zhǎng)為50納米，其厚度為800納米；字線長(zhǎng)為500微米，字線8和柵極7間距為500納米，其高度持平；如圖1所示。
利用原子力顯微鏡在字線8和柵極7之間設(shè)定為一根金屬性碳納米管9，長(zhǎng)為600納米，直徑為2納米；利用掃描探針技術(shù)使碳納米管9上發(fā)生兩次形變，每處形變形成了一個(gè)隧穿結(jié)，兩個(gè)隧穿結(jié)10的間距為25納米，這樣就形成了量子點(diǎn)11，如圖3所示。最后對(duì)器件封裝就完成了本發(fā)明存儲(chǔ)器的制備。
本發(fā)明的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器的工作原理說(shuō)明如下利用原子力顯微鏡(AFM)使金屬性碳納米管9多處發(fā)生局部形變，依據(jù)碳納米管的電輸運(yùn)特性可知碳納米管的每一個(gè)形變處可以形成一個(gè)隧穿勢(shì)壘。假設(shè)柵極絕緣層6和氧化絕緣層2的材料均為二氧化硅，金屬性碳納米管9上只制備出兩個(gè)隧穿結(jié)(間距通常在幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米之間)，并且字線與柵極7中電子的交換只能通過(guò)隧穿金屬性碳納米管9上的隧穿結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)碳納米管上兩個(gè)隧穿結(jié)之間形成了一個(gè)納米尺度的量子點(diǎn)11。這個(gè)量子點(diǎn)11中增加一個(gè)額外電子需要的能量為Eadd=e2CΣ2+ΔE]]>其中C∑2為金屬性碳納米管9上兩個(gè)隧穿結(jié)之間形成的量子點(diǎn)11的總電容，ΔE為量子點(diǎn)11分立能級(jí)的間距。如果通過(guò)控制碳納米管上兩個(gè)隧穿結(jié)的間距，使得C∑2足夠的小滿足Eadd＞kBT，其中kB為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，這樣就可以在金屬性碳納米管9上觀測(cè)到庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。假設(shè)金屬性碳納米管9上量子點(diǎn)11的庫(kù)侖阻塞區(qū)域?yàn)?-VC，+VC)，如果系統(tǒng)超出庫(kù)侖阻塞區(qū)域，則需要滿足條件|VW(t)|VC，此時(shí)金屬性碳納米管9可以看作是一根電阻為R2的導(dǎo)線(假設(shè)電極和碳納米管之間的接觸為完全的歐姆接觸)，此時(shí)的字線、金屬性碳納米管9和柵極7將會(huì)有相同的電位。當(dāng)施加在字線上的電壓VW(t)處在庫(kù)侖阻塞區(qū)域時(shí)，字線電位的變化將不會(huì)引起柵極7電位的變化，即柵極7存儲(chǔ)的電子數(shù)目不會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)的柵極7可以看作是一個(gè)孤立的電荷存儲(chǔ)部分。如果在字線上施加一個(gè)三角形脈沖電壓VW(t)，當(dāng)此電壓下的系統(tǒng)處在庫(kù)侖阻塞區(qū)域時(shí)，柵極7電位VM不會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)字線電壓超出庫(kù)侖阻塞區(qū)域時(shí)，柵極7電位VM將時(shí)刻滿足VM(t)＝VW(t)具體地講，如果施加如圖4所示的寫(xiě)電壓，在電壓由0上升到+VC的過(guò)程中，系統(tǒng)處于庫(kù)侖阻塞區(qū)域，柵極7中的電位將會(huì)維持原狀態(tài)；在電位由+VC上升到最大值并再次減少到+VC的過(guò)程中，因?yàn)橄到y(tǒng)超出了量子點(diǎn)11的庫(kù)侖阻塞區(qū)域，所以器件柵極7和字線時(shí)刻處在電位相同的狀態(tài)，如果柵極7中原電位為0，此時(shí)電子將會(huì)由柵極7通過(guò)金屬性碳納米管9進(jìn)入字線中，字線的電容可以認(rèn)為是無(wú)窮大，其中有限的電子數(shù)目的改變不會(huì)引起其費(fèi)米能級(jí)的改變；但是當(dāng)字線電壓由+VC下降到0電位時(shí)，系統(tǒng)再次處于庫(kù)侖阻塞狀態(tài)，因此字線電壓下降的過(guò)程中，字線中的電子無(wú)法通過(guò)金屬性碳納米管9進(jìn)入柵極7，此時(shí)柵極7成為了一個(gè)孤立的電荷存儲(chǔ)部分，其電位就會(huì)保持在+VC，如圖4。同理，利用反方向的電壓脈沖就可以實(shí)現(xiàn)柵極7電位為-VC的存儲(chǔ)狀態(tài)。利用方波同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，其具體過(guò)程可以用圖5來(lái)描述。在圖4和圖5中柵極7電位用虛線表示的部分并不代表實(shí)際的變化過(guò)程，因?yàn)樘摼€部分所代表的變化過(guò)程是由這個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)歷史和字線上的電壓共同決定的，虛線只是表示了柵極7電位的一種可能變化。
由此可見(jiàn)，當(dāng)柵極7處在+VC的電位時(shí)，存儲(chǔ)器單元處在一個(gè)穩(wěn)定的存儲(chǔ)狀態(tài)，柵極7相對(duì)于電中性時(shí)電子數(shù)目的改變量為n=Vc·CΣMe---(1)]]>式中的C∑M為柵極7的總電容，可以表示為CΣM=ϵ·Sd+C0]]>其中ε為二氧化硅的介電常數(shù)，S為柵極7的面積，d為柵極7與襯底1的距離，C0為其它的一些電容，如柵極7與半導(dǎo)體性碳納米管5和金屬性碳納米管9的電容，柵極7與兩個(gè)電極和字線之間的電容等，這些電容很小，可以忽略不計(jì)，因此方程(1)可以寫(xiě)為n=ϵe·S·VCd]]>由此可見(jiàn)工作需要的電子數(shù)目主要決定于柵極7和硅襯底1之間的距離、柵極7的尺寸和金屬性碳納米管9上量子點(diǎn)11庫(kù)侖阻塞區(qū)域的大小。因此可以得出控制一個(gè)電子就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元正常工作所應(yīng)該滿足的條件是S·VCd=eϵ........(2)]]>同理，滿足上述條件的存儲(chǔ)單元達(dá)到柵極7電位為-VC所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)柵極7中的額外電子數(shù)目為一個(gè)。存儲(chǔ)單元工作時(shí)需要控制的電子數(shù)目越少，器件的功耗就越低，工作頻率也就越快。如果金屬性碳納米管9上兩隧穿結(jié)之間量子點(diǎn)11的庫(kù)侖阻塞區(qū)域量級(jí)為10-1V，柵極到硅襯底的距離d的量級(jí)為10-8m，根據(jù)方程(2)可以知道存儲(chǔ)器控制一個(gè)電子實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)柵極7面積接近1000nm2。
本發(fā)明存儲(chǔ)器件是利用具有垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，器件存儲(chǔ)單元的額外電子的存儲(chǔ)部分是碳納米管晶體管的柵極，改變柵極7的電位可以改變碳納米管中的載流子濃度，因此同樣的源漏偏壓下，漏極電流的大小可以反應(yīng)出柵極電位的不同，即柵極7中存儲(chǔ)了多少額外電子，存儲(chǔ)單元處在何種存儲(chǔ)狀態(tài)。如果不對(duì)碳納米管晶體管中的碳納米管進(jìn)行摻雜，CNT中的載流子以空穴為主。為了保證數(shù)據(jù)讀取的可靠性，必須提高碳納米管晶體管的跨導(dǎo)，這樣?xùn)艠O7中電壓的改變才能引起足夠明顯的漏極電流的改變，實(shí)現(xiàn)器件對(duì)信息的讀取功能。半導(dǎo)體性碳納米管5與柵極7之間的電容可以近似寫(xiě)為CM1=2πϵL/log(2h/r)]]>其中L為柵極7靠近半導(dǎo)體性碳納米管5的那一側(cè)的寬度，ε是介電常數(shù)，r是半導(dǎo)體性碳納米管5的直徑，h是半導(dǎo)體性碳納米管5和柵極7之間的距離。假定碳納米管晶體管中半導(dǎo)體性碳納米管5的空穴分布是均勻的，兩電極之間碳納米管的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，空穴線密度為τ，則柵極7在+VC和-VC兩種狀態(tài)之間變化時(shí)載流子濃度的改變量為ΔQQ=CM1·(2VC)L1·τ=4πϵLVCL1·τ·log(2h/r)]]>
可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為L(zhǎng)≈L1，因此載流子濃度的相對(duì)改變量主要與以下三個(gè)因素有關(guān)存儲(chǔ)單元的尺寸、半導(dǎo)體性碳納米管5與柵極7間距h和金屬性碳納米管9中量子點(diǎn)11庫(kù)侖阻塞區(qū)域的大小VC。由此可見(jiàn)本發(fā)明存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)性能的提高主要依賴兩個(gè)方面一方面是減小金屬性碳納米管9上兩個(gè)隧穿結(jié)之間的距離，增大量子點(diǎn)11庫(kù)侖阻塞區(qū)域的寬度，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)減小量子點(diǎn)11的尺寸可以減小其總電容，而庫(kù)侖阻塞區(qū)域的大小與量子點(diǎn)11總電容成反比；另一方面是減小柵極7與半導(dǎo)體性碳納米管5之間的距離，提高碳納米管晶體管的跨導(dǎo)，提高數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性。然而由方程(1)可以看出這兩個(gè)方面的努力都會(huì)導(dǎo)致本發(fā)明存儲(chǔ)器工作時(shí)電子數(shù)目的增加，如果要維持較少的工作電子數(shù)目，就必須進(jìn)一步減小存儲(chǔ)單元中柵極7的尺寸。由此可見(jiàn)器件1的存儲(chǔ)性能由三個(gè)方面決定柵極7的尺寸；柵極7與半導(dǎo)體性碳納米管5的間距；金屬性碳納米管9上兩個(gè)隧穿結(jié)的間距。
本發(fā)明存儲(chǔ)器工作頻率可以用下式表示f∝(RtCM)-1(3)其中Rt為系統(tǒng)超出庫(kù)侖阻塞區(qū)域時(shí)金屬性碳納米管9的隧穿電阻，CM為柵極7的總電容。假定系統(tǒng)超出庫(kù)侖阻塞區(qū)域時(shí)，柵極7總電容可以表示為CM∝AD-1(4)其中A為柵極7的面積，D為柵極7和導(dǎo)電襯底之間的距離。因此器件的工作頻率可以表示為f∝(RtA)-1D由此可見(jiàn)，器件的工作頻率與金屬性碳納米管9的電阻有關(guān)，與柵極7的面積有關(guān)，與柵極7與導(dǎo)電襯底之間的距離有關(guān)。如果D很大，方程(3)中的CM的將不能用方程(4)來(lái)表示，因?yàn)榇藭r(shí)柵極7的電容主要為其自容。若要提高本發(fā)明存儲(chǔ)器的工作頻率，制備時(shí)主要從以下兩個(gè)方面考慮一方面通過(guò)提高制備工藝的水平來(lái)減小柵極7的幾何尺寸，減少工作所需要控制的電子數(shù)目；另一方面，減少金屬性碳納米管9的隧穿電阻。對(duì)于數(shù)據(jù)的保存時(shí)間，主要是由金屬性碳納米管9量子點(diǎn)的宏觀隧穿效應(yīng)決定的，提高數(shù)據(jù)保存時(shí)間主要是通過(guò)在金屬性碳納米管9上制備出多個(gè)隧穿結(jié)形成多個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)可以有效的抑制量子的宏觀隧穿效應(yīng)，從而達(dá)到提高數(shù)據(jù)的保存時(shí)間的目的。
權(quán)利要求
1.一種用垂直結(jié)構(gòu)碳納米晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，包括以硅作為襯底，其上氧化形成一個(gè)二氧化硅絕緣層；在絕緣層上制備出一個(gè)碳納米管晶體管，它包括在二氧化硅絕緣層上設(shè)置一根單壁碳納米管，在其兩端制備出源極和漏極，并與該碳納米管發(fā)生歐姆接觸；其特征在于在該碳納米管、源極和漏極的上方的整個(gè)二氧化硅絕緣層上制備出一層?xùn)艠O絕緣層，并在位于該碳納米管的上方、源極和漏極之間的柵極絕緣層上設(shè)置碳納米管晶體管的方形柵極；方形柵極相對(duì)應(yīng)的一側(cè)的柵極絕緣層上設(shè)置一存儲(chǔ)器的金屬字線，金屬字線和方形柵極通過(guò)第二根碳納米管歐姆接觸連接在一起，其第二根碳納米管設(shè)置方向與第一根碳納米管方向垂直，第二根碳納米管上存在至少兩個(gè)隧穿結(jié)。
2.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的襯底材料包括p型或n型單晶或多晶硅。
3.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的襯底上的二氧化硅層厚度為1納米到100微米；
4.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管晶體管的源極和漏極材料包括Al、Au、Pt或Ti金屬材料制備的。
5.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管晶體管的柵極材料包括Al、Au、Pt、Ti金屬或摻雜后的硅；其厚度為1納米到1微米；其柵極的面積小于1平方毫米。
6.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管晶體管中的碳納米管為單壁半導(dǎo)體性碳納米管，其直徑為小于3納米。
7.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的字線和柵極之間的碳納米管為金屬性碳納米管。
8.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管上的隧穿結(jié)至少有2個(gè)，相鄰的兩個(gè)隧穿結(jié)間距小于100納米。
9.按權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器，其特征在于所述的柵極絕緣層的材料包括二氧化硅、Si3N4。
10.一種制備權(quán)利要求1所述的用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器的方法，其特征在于包括以下步驟(1)以硅片作為襯底，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝對(duì)硅片進(jìn)行摻雜，形成p型或n型的硅襯底；利用常規(guī)干氧或濕氧的方法在其上制備出一層二氧化硅絕緣層，其厚度為1納米-100微米；(2)在二氧化硅絕緣層上利用原子力顯微鏡定位一根單壁半導(dǎo)體性碳納米管，并利用常規(guī)光刻和剝離技術(shù)在碳納米管的兩端制備出碳納米管晶體管的源極和漏極；(3)然后再在半導(dǎo)體性碳納米管、源極和漏極的上方采用常規(guī)制膜工藝制備出一個(gè)柵極絕緣層，其厚度小于500納米；并在其上利用電子束光刻和剝離技術(shù)在這根碳納米管的上方，制備出厚度為1納米-100微米碳納米管晶體管的柵極，和以及在柵極相對(duì)應(yīng)的另一側(cè)邊制備一條金屬字線；(4)在金屬字線和柵極之間定位第二根金屬性碳納米管，該碳納米管與第一根碳納米管相垂直設(shè)置，并利用掃描探針技術(shù)在該金屬性碳納米管上，使碳納米管發(fā)生局部形變形成隧穿結(jié)，在該碳納米管上不少于兩個(gè)隧穿結(jié)，相鄰兩個(gè)隧穿結(jié)的間距小于100納米；最后對(duì)器件進(jìn)行封裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及用垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管設(shè)計(jì)的單電子存儲(chǔ)器及制法，包括襯底，其上氧化形成二氧化硅絕緣層；在絕緣層上制備出一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)的碳納米管晶體管，和設(shè)置一根半導(dǎo)體性的單壁碳納米管，在其兩側(cè)制備出源極和漏極并與碳納米管發(fā)生歐姆接觸；在這根碳納米管的上方制備出一個(gè)很薄的柵極絕緣層，其上設(shè)置這個(gè)碳納米管晶體管的柵極；柵極一側(cè)的柵極絕緣層上設(shè)置一條存儲(chǔ)器的金屬字線，金屬字線和柵極通過(guò)一根金屬性碳納米管連接在一起，此碳納米管上制備出至少兩個(gè)隧穿結(jié)。該方法制備出的量子點(diǎn)可以在室溫下出現(xiàn)庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象，因此器件可在室溫下工作，通過(guò)測(cè)量碳納米管晶體管的漏極電流可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的讀出。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1485915SQ0213127
公開(kāi)日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月24日
發(fā)明者孫勁鵬, 王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所